化石燃料の枯渇防止・炭酸ガス排出量の削減・環境に優しい循環型社会の形成を目指し、植物バイオマスからエタノールを作ってガソリンに添加することが本格的に進められています。現在はトウモロコシやサトウキビのような食用可能な植物原料からのバイオエタノール生産が実用化されていますが、人口増加による食糧不足への危惧から、草・木・古紙等の食用としない植物原料からのエタノール生産技術の開発が求められています。しかし、このような非食用バイオマスからのエタノール製造においては、原料の分解・発酵にかかるコストが高くなることや、分解過程で使用する化学薬品による環境負荷が生じることなどが問題とされています。

そこで月桂冠総合研究所は、醸造環境で長年選抜されてきた醸造微生物(麹菌、清酒酵母)やその発酵技術をバイオエタノール生産へ利用すべく、微生物育種などの研究を進めてきました。スーパー酵母とは、清酒酵母に酵素タンパク質を細胞表層に自在に提示する｢細胞表層工学｣という技術を応用することで、従来にはない新しい機能を付与した微生物です。例えば、蛍光タンパク質を提示したスーパー酵母は細胞表面が光ります（図1）。今回は、スーパー酵母技術と廃棄物の少ないバイオマス前処理として注目される｢亜臨界水処理｣を我々の発酵技術と融合することにより、セルロースを｢水で分解｣し｢醸造微生物（スーパー酵母）で発酵｣するという、非常にユニークなバイオエタノール生産プロセスの構築を目指しました（図2）。一方対象とするバイオマスには、「バイオマス・ニッポン総合戦略」でも挙げられているもみ殻や稲わらを選びました。特に、もみ殻については国内で年間200万トン発生しますが、堆肥、飼料として利用されているのは30％程度であり、残りの70％は廃棄されています。もみ殻や稲わらからのバイオエタノール生産が可能になれば、我が国のバイオマス有効利用に大きく貢献できるものと期待されています。

まず、麹菌由来のセルロース分解酵素（エンドグルカナーゼおよびβ-グルコシダーゼ）を清酒酵母の細胞表層に提示した株（スーパー酵母）を作製しました（図3）。このスーパー酵母を、セロオリゴ糖が含まれるβ-グルカン溶液と混合し、30℃でエタノール発酵を行いました。その結果、2%(w/v) β-グルカンから24時間で1.0% (v/v)のエタノールを生産することができました（図4）。このようにして、スーパー酵母はセロオリゴ糖から効率よくエタノールを生産できることが示されました。
次に、もみ殻、稲わらからのエタノール生産を試みました。粉砕したもみ殻、稲わらを270℃、32MPaの亜臨界水で分解したところ、もみ殻で15%(w/v)、稲わらで8%(w/v)の可溶化液を得ることができました。この可溶化液に、スーパー酵母を懸濁させ、30℃で発酵試験を行ったところ、24時間でもみ殻可溶化液から0.12%(v/v)、稲わら可溶化液から0.15%(v/v)のエタノールを生産することができました（図5）。
研究成果のポイントとして、（1）高濃度セルロースを可溶化・低分子化する亜臨界水処理装置を開発したこと、（2）可溶化したセルロースから直接エタノール発酵ができるスーパー酵母を創生したことが挙げられます。これらの技術を融合することによって、硫酸や分解用酵素剤を使用することなく、もみ殻や稲わらのような非食用植物性バイオマスからのエタノール生産を可能にしました。
私たちの生活に身近な水を利用することで、廃棄物が少なく、装置もシンプルにできるため、本プロセスは、｢Clean｣で｢Compact｣なプラント設計を可能にします。さらに長年使用してきた醸造微生物の安全性から「Safety」という特徴も持ちあわせています。清酒酵母や麹菌の発酵産物は長い食経験を持ち、米国でもGRAS (Generally Recognized as Safe)として認知されており、糖加水分解酵素を提示したスーパー酵母は、麹菌の遺伝子を清酒酵母に組み入れただけの遺伝子組換体であるため安全性が高いと考えます。そのためスーパー酵母のバイオエタノール設備の国内各地への普及促進に大きく貢献するもの思われます。 今回、スーパー酵母（セルラーゼ提示清酒酵母）を用いてセルロースからのバイオエタノール生産に成功しました。我々は、セルロース以外のバイオマス（デンプン、ヘミセルロース）から直接エタノール発酵が可能なスーパー酵母の作製にも成功しています。今後も我々が持っている清酒製造技術を活用して、さまざまなバイオマスをバイオエタノールへと変換する技術を開発し、エネルギー問題解決に貢献したいと考えています。